李亞明　劉陳　王辰　劉奇　劉德明

摘 要：無線傳感網絡接入互聯(lián)網需要海量地址，將IPv6技術用于無線傳感網絡可解決地址資源不足的問題。論文采用具有6LoWPAN（IPv6 over Low Power wireless Area Network）協(xié)議棧的Contiki嵌入式操作系統(tǒng)進行傳感節(jié)點設計；開發(fā)了支持6LoWPAN協(xié)議棧的IPV4/IPV6雙棧邊緣路由器，完成傳感節(jié)點數(shù)據(jù)向以太網的轉發(fā)；在教育網IPv6環(huán)境下搭建了基于IPv6的無線傳感網絡系統(tǒng)，并進行了測試。測試結果表明，所設計無線傳感器、邊緣路由器均支持基于6LoWPAN通信協(xié)議，通過瀏覽器可遠程訪問IPv6傳感節(jié)點并能通過管理服務器獲取實時采樣數(shù)據(jù)。

關鍵詞：IPv6 ；6LoWPAN ；無線傳感網絡；Contiki；遠程訪問；實時

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

傳感網絡技術作為物聯(lián)網的核心技術之一，一直是國內外研究熱點，其中無線傳感網絡部署簡單、維護方便，成本低，相對有線傳輸更具有靈活性，在環(huán)境監(jiān)測、農業(yè)管理、醫(yī)療、及工業(yè)監(jiān)控等多方面具有廣泛應用前景。

目前大多數(shù)無線傳感網絡都不是基于IP的網絡架構，要想使傳感節(jié)點接入IP網絡，必須要專門設計一個支持其他私有協(xié)議的轉換網關，由于網關固有的復雜性，協(xié)議轉換過程中很可能會破壞雙方的網絡模型，在大規(guī)模網絡部署后的網絡管理與故障檢查方面會有很多不足。端到端IP網絡架構網絡層采用IP技術，具有很好的互通性與穩(wěn)定性，應用層可以支持多樣性的需求，相對傳統(tǒng)網關具有很多優(yōu)勢，支持端到端IP架構的傳感網絡是未來迎接大規(guī)?？煽貍鞲芯W絡的潛在發(fā)展方向。

但以IP做基礎的無線傳感網絡規(guī)模化應用面臨兩個問題：IPv4地址枯竭與傳感節(jié)點成本限制。要無限地延伸網絡邊界，實現(xiàn)全網絡融合與通信，開展全網絡協(xié)同服務，必須要使全網系統(tǒng)中最基礎層的被標記物具有網絡IP地址；傳統(tǒng)IPv4地址資源即將枯竭，而IPv6協(xié)議具有充足的地址空間，可為需要海量地址的物聯(lián)網服務[1，2]。另一方面，無線傳感網絡節(jié)點要求體積小且成本低，并且多部署在不易取電的位置，這就要求傳感節(jié)點內存資源有限，且工作低功耗[3]。

為此，結合低功耗802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議及IPv6網絡層協(xié)議的6LoWPAN （IPv6 over Low Power wireless Area Network）協(xié)議棧被提出，通過6LoWPAN適配層對IPv6數(shù)據(jù)包進行分片和重組，完成IPv6網絡層與802.15.4物理層的融合[4-6]。Contiki是專為內存受限的硬件平臺開發(fā)的操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)開源且集成了6LoWPAN協(xié)議棧 [7]。

論文將采用具有6LoWPAN協(xié)議棧的Contiki嵌入式操作系統(tǒng)進行傳感節(jié)點設計；研制支持6LoWPAN協(xié)議棧的IPV4/IPV6雙棧邊緣路由器，完成傳感節(jié)點數(shù)據(jù)向以太網的轉發(fā)；在教育網IPv6環(huán)境下搭建基于IPv6的無線傳感網絡系統(tǒng)進行測試。

1 IPv6傳感網絡總體設計

在教育網IPv6環(huán)境下構建如圖1所示的無線傳感網絡。

無線傳感網絡由IPv6傳感節(jié)點、IPv6路由、管理服務器所構成。本設計中，無線傳感節(jié)點采集環(huán)境的溫度、濕度與光照度信息。

圖1 IPv6無線傳感網絡架構

基于6LoWPAN傳感節(jié)點與IPv6主機間的3層路由過程如圖2所示。傳感器感知環(huán)境溫、濕度以及光照等信息，將數(shù)據(jù)傳給節(jié)點的主芯片，在主芯片內完成對數(shù)據(jù)包的處理，經過6LoWPAN適配層的頭壓縮，將數(shù)據(jù)以802.15.4數(shù)據(jù)包格式發(fā)送出去，6LoWPAN無線網卡上射頻芯片接收數(shù)據(jù)包，在網卡主芯片完成6LoWPAN適配層重組，再經過通用串行總線接口將數(shù)據(jù)轉發(fā)到路由器，通過路由器以802.3協(xié)議規(guī)定轉發(fā)到IPv6以太網絡中。整個過程經過IPv6傳感網關完成IPv6分組的壓縮和解壓縮，執(zhí)行6LoWPAN短地址與IPv6地址的映射，實現(xiàn)了傳感網絡與IP網絡的融合。

圖2 傳感網絡結構分層示意圖

下面將分別對IPv6傳感節(jié)點和IPv6傳感網關進行說明。

2 IPv6傳感節(jié)點設計

傳感節(jié)點功能示意圖見圖3，主要分為主控及通信控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、RF通信模塊及射頻天線單元等幾部分。

主控模塊采用Atmel 1284P作為主芯片，采用支持6LoWPAN協(xié)議棧的Contiki作為操作系統(tǒng)。通過Contiki為傳感節(jié)點分配IPv6地址。傳感器選擇SHT11溫、濕度傳感器以及光敏電阻。節(jié)點射頻部分采用Atmel的AT86RF231，通過同步串行與主芯片通信。節(jié)點天線電路采用兩個SMA轉接頭外置，利用Johanson公司的2450BM15A0002平衡濾波器芯片實現(xiàn)射頻通信芯片輸出差分信號轉變?yōu)閱味诵盘枴?/p>

圖3 IPv6傳感節(jié)點功能示意圖

3 支持IPv4/IPv6雙棧的傳感網絡網關設計

傳感網絡網關由兩部分構成，一部分是IPv6無線網卡，另一部分是基于OpenWRT的IPv6邊緣路由器。

IPv6無線網卡在IPv6邊緣路由器與傳感節(jié)點間起橋接作用，它同樣采用Contiki作為操作系統(tǒng)，內置6LoWPAN協(xié)議棧，通過6LoWPAN適配層對IPv6報文分片與重組。

IPv6無線網卡的功能示意圖如圖4。主要分為主控模塊，射頻通信模塊和射頻天線三部分。主控模塊芯片采用Atmel公司的AT90USB1287，射頻模塊芯片同樣采用Atmel的AT86RF231，天線采用Antenova公司的小尺寸2.4 GHz貼片天線A5839。

圖4 IPv6無線網卡功能示意圖

IPv6無線網卡與傳感節(jié)點均采用Contiki作為操作系統(tǒng)，通過一系列進程完成數(shù)據(jù)的收發(fā)。

IPv6邊緣路由器利用市面上已有的基于OpenWRT的IPv4路由器進行開發(fā)。首先，基于OpenWRT的編程將IPv4路由器升級，使其同時支持IPv4/IPv6雙棧，完成6LoWPAN IPv6傳感網絡的數(shù)據(jù)轉發(fā)；其次，開發(fā)基于USB的IPv6網卡驅動，可以識別傳感網絡的數(shù)據(jù)包，并通過路由器Linux內核轉發(fā)數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)傳感網絡與互聯(lián)網的互通。

圖5為邊緣路由器驅動實現(xiàn)示意圖。整個驅動分兩個部分，一個是USB驅動，實現(xiàn)USB控制器對插入無線網卡的識別，進行數(shù)據(jù)傳輸；另一個是對網絡的驅動，即實現(xiàn)對6LoWPAN協(xié)議棧的支持和IPv6數(shù)據(jù)包的轉發(fā)。通過對Linux內核的系統(tǒng)資源配置，實現(xiàn)上述功能。

圖5 邊緣路由器驅動實現(xiàn)示意圖

4 性能測試

依托CERNET2華中地區(qū)主干網華中科技大學子網，在下一代互聯(lián)網國家工程實驗室按照圖1搭建IPv6聯(lián)網系統(tǒng)。通過Contiki對節(jié)點與網卡分配IPv6地址，6LoWPAN無線網卡地址：2001：250：4000：4407：：1；傳感節(jié)點地址2001：250：4000：4407：：1d。地址分配如圖6所示。

圖6 IPv6聯(lián)網地址分配示意圖

通過天津教育網對IPv6無線網卡進行網絡連通性測試， ping網卡地址結果如圖7所示，在遠端能得到網卡的回復報文，網絡線路連通正常。

圖7 IPv6無線網卡連通性測試結果

測試IPv6傳感節(jié)點的網絡連通性，天津教育網Ping節(jié)點地址如圖8所示，同樣可以看到，節(jié)點收到發(fā)來的數(shù)據(jù)包并且回復響應的報文，從客戶遠端到節(jié)點網絡是正常連通的。

圖8 6LoWPAN傳感節(jié)點連通性測試結果

客戶終端在管理服務器通過傳感節(jié)點的編號即傳感節(jié)點IPv6地址查找特定傳感節(jié)點，可以遠程配置傳感節(jié)點的采樣時間與采樣間隔，實時查看傳感節(jié)點采集環(huán)境信息如圖9所示。

圖9 通過管理服務器遠程查看傳感節(jié)點數(shù)據(jù)

5 結 語

本文將IPv6技術應用于無線傳感網絡，采用具有6LoWPAN協(xié)議棧的Contiki嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)IPv6傳感節(jié)點和IPv6無線網卡，研制了支持6LoWPAN協(xié)議棧的IPv4/IPv6雙棧邊緣路由器。在教育網IPv6環(huán)境下的測試表明：傳感節(jié)點及邊緣路由器均支持基于6LoWPAN通信協(xié)議，在開發(fā)的物聯(lián)網管理平臺上可實現(xiàn)對IPv6傳感節(jié)點的遠程管理與控制。

參考文獻

[1] Vasseur.J.P，DUNKELS A. Interconnecting Smart Objects with IP：The Next Internet[M].Morgan Kaufmann， 2010.

[2] 蔣林濤.互聯(lián)網與物聯(lián)網[J].電信工程技術與標準化，2010（2）：1-5.

[3] 韓慶普. 融合IPv6的無線傳感器網絡接入技術研究[D]. 大連：大連理工大學，2013.

[4] 謝希仁. 計算機網絡 [M].5版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[5] 付誠. 基于6LoWPAN的無線傳感器網絡路由研究及實現(xiàn)[D]. 北京：北京郵電大學，2012.

[6] 朱曉榮，李鳳國.基于Contiki的6LoWPAN適配層的研究與實現(xiàn)[J].信息通信技術，2013（3）：66-70.

[7]于海濱，梁煒，曾鵬. 智能無線傳感器網絡系統(tǒng) [M].2版.北京：科學出版社，2013.

[8]潘琢金，徐蕾，拱長青，等.嵌入式Internet TCP/IP基礎、實現(xiàn)與應用 [M] .北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[9]王義君，錢志鴻，王雪，等.基于6LoWPAN的物聯(lián)網尋址策略研究[J].電子與信息學報，2012（4）：763-770.

[10]周蘭.IPv6無線傳感網絡網絡層協(xié)議研究[D].南京：南京郵電大學，2013.